Dirigé par l'Université de Manchester, une équipe internationale de scientifiques a développé un matériau de charpente métal-organique (MOF) qui présente un capacité entièrement réversible et reproductible d'éliminer le dioxyde d'azote gazeux de l'atmosphère dans des conditions ambiantes. Cette découverte, confirmé par des chercheurs utilisant la diffusion de neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, pourrait conduire à des technologies de filtration de l'air qui capturent et convertissent de manière rentable de grandes quantités de gaz ciblés, y compris le dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre, pour faciliter leur séquestration à long terme pour aider à atténuer la pollution de l'air et le réchauffement climatique.

Comme indiqué dans Matériaux naturels , le matériau noté MFM-300(Al) présentait le premier réversible, capture sélective du dioxyde d'azote à pressions et températures ambiantes - à faibles concentrations - en présence d'humidité, dioxyde de soufre et dioxyde de carbone. Malgré la nature hautement réactive du dioxyde d'azote, le matériau MFM-300(Al) s'est avéré extrêmement robuste, démontrant la capacité d'être entièrement régénéré, ou dégazé, plusieurs fois sans perte de cristallinité ou de porosité.

"Ce matériau est le premier exemple d'un cadre métal-organique qui présente une capacité hautement sélective et entièrement réversible pour la séparation répétée du dioxyde d'azote de l'air, même en présence d'eau, " dit Sihai Yang, l'un des principaux auteurs de l'étude et maître de conférences en chimie inorganique à la Manchester's School of Chemistry.

Professeur Martin Schröder, un autre auteur principal de Manchester Chemistry, commenté, "D'autres études sur différents matériaux poreux ont souvent montré que les performances étaient dégradées dans les cycles suivants par le dioxyde d'azote, ou que le processus de régénération était trop difficile et coûteux."

Dans le cadre de la recherche, les scientifiques ont utilisé des techniques de diffusion de neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie pour confirmer et caractériser avec précision comment le MFM-300(Al) capture les molécules de dioxyde d'azote.

"Les neutrons peuvent facilement pénétrer les matériaux denses et ils sont sensibles aux éléments plus légers, tels que les atomes d'hydrogène à l'intérieur du MFM, qui nous a permis d'observer comment les molécules de dioxyde d'azote sont confinées à l'intérieur des pores de taille nanométrique, " a déclaré Timmy Ramirez-Cuesta, co-auteur et coordinateur de l'initiative chimie et catalyse à la Direction des sciences neutroniques de l'ORNL. « Nous avons bénéficié de la sensibilité extrêmement élevée et des données quantitatives fournies par l'instrument de spectroscopie vibrationnelle VISION sur la ligne de lumière 16-B de l'ORNL à la source de neutrons de spallation, qui utilise des neutrons au lieu de photons pour sonder les vibrations moléculaires."

La capacité d'observer directement comment et où le MFM-300(Al) piège le dioxyde d'azote aide les chercheurs à valider un modèle informatique du processus de séparation des gaz MOF, ce qui pourrait aider à identifier comment produire et adapter d'autres matériaux pour capturer une variété de gaz différents.

« La modélisation et la simulation informatiques ont joué un rôle essentiel dans l'interprétation des données de diffusion des neutrons en nous aidant à connecter des changements subtils dans les spectres vibrationnels aux interactions entre le MFM-300 et les molécules piégées, " a déclaré Yongqiang Cheng, un scientifique et co-auteur de la diffusion des neutrons de l'ORNL. "Notre objectif est d'intégrer le modèle avec des techniques expérimentales pour fournir des résultats qui sont autrement difficiles à atteindre."

Capter les gaz à effet de serre et les gaz toxiques de l'atmosphère a longtemps été un défi, en raison de leurs concentrations relativement faibles et de la présence d'humidité dans l'air, ce qui peut affecter négativement la séparation des molécules de gaz ciblées des autres gaz. Un autre défi a été de trouver un moyen pratique de libérer un gaz capturé pour une séquestration à long terme, comme dans les réservoirs souterrains de pétrole épuisés ou les formations rocheuses remplies de solution saline. Les MOF offrent des solutions à bon nombre de ces défis, c'est pourquoi elles font l'objet d'investigations scientifiques récentes.

L'équipe de recherche a impliqué des scientifiques d'institutions de cinq pays, dont l'Université de Nottingham, Université de Newcastle upon Tyne, Université de Nottingham Ningbo Chine, Université de Pékin, le Centre International de Tomographie SB RAS, Université d'État de Novossibirsk, et l'installation européenne de rayonnement synchrotron à Grenoble.

Co-auteurs supplémentaires de l'article, intitulé « Adsorption réversible du dioxyde d'azote dans un cadre organo-métallique poreux robuste, " inclure Xue Han, Harry G.W. Godefroy, Lydia Briggs, Andrew J. Davies, Luke L. Daemen, Alena M. Sheveleva, Floriana Thon, Eric J. L. McInnes, Soleil Junliang, Christine Drathen, Michael W. George, et K. Mark Thomas.